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大學物理實驗課程的圖形化展示論文
摘要：目的：目前高校的物理實驗課程教學，大多仍止步于傳統的“灌輸式”原理傳授或“照搬式”教學觀摩，制約了高校物理實驗課程的發展以及學生獲取物理實驗知識的效率，文章意在尋求更有效的教學手段。方法：文章探討了圖形化展示在大學物理實驗課程中的呈現方式及優勢，并對當前產生的問題予以分析并提出解決建議。結果：圖形化展示可加深學生對實驗理論的理解，提升學習興趣，提高實驗教學質量。結論：圖形化展示為高校實驗教學體系的完善畫上了濃重的一筆，我們還在探求更加多元的圖形化展示方式。
關鍵詞：物理實驗教學;圖形化展示;信息整合
引言
物理實驗是物理學發展的基礎，對于物理專業的學生來說，大學物理實驗課程是進入象牙塔后技能學習的第一步，學生在實驗過程中發現物理定律，驗證物理理論正確與否，是學習物理知識的有效手段之一。因此，大學物理實驗課程的教學對高校人才的培養具有重要意義。當前高校的物理實驗課程教學，仍止步于傳統的教學方式，以物理原理的簡單傳授或教師親自示范為主，此類方式存在著一定的不足，制約了高校物理實驗課程的發展以及學生獲取物理實驗知識的效率。
一、傳統大學物理實驗授課的不足
（一）“灌輸式”原理傳授：大學物理實驗課程因其課程性質的特殊性，原理相對枯燥。傳統教學方式往往是教師詳細地講解實驗原理、方法、步驟、儀器使用、數據記錄、數據處理等。灌輸式教學的一個突出特征就是以教師為中心。[1]授課教師常采用照本宣科的方式，授課過程封閉、僵化、程式化，學生被動接受教師“控制”，機械地記憶所講解的內容，使原本枯燥的方程和公式更難為學生所接受。學生在上課時對測量的數據沒有完整的概念，缺乏實例演示以及更為形象化的講解方式，極大地削弱了學生的學習興趣，導致學生在獲取知識的過程中盲目服從，逐漸喪失批判精神與創造精神。這種教育讓學生只能接收、輸入并存儲知識。[2]
（二）“照搬式”教學觀摩：傳統的大學物理實驗教學及其有關的解題訓練，一般是將簡化好的物理模型提供給學生，實驗過程中，學生只能依照老師示范進行觀摩，機械模仿，在實驗中出現不符合常規的物理現象時不能給予合理的解釋，僅僅是為了得到實驗數據。部分學生甚至完全敷衍了事，課程結束后更是對數據處理無所適從，只得依據模板生搬硬套。極少學生對實際的問題進行分析思考，無法從實際問題中提取信息，抓住主要特征，排除次要因素，確立理想化的物理模型的訓練。此種教學方式雖然對學生的基本實驗技能有所提高，但提升的空間不足，對于學生實驗思想的形成和培養、實驗方法的創新都會形成桎梏。因而學生很難對實際的物理對象和物理情景進行理想化處理，在實際問題面前顯得束手無策。
二、圖形化展示在大學物理實驗教學中呈現方式
圖形化展示以多種視覺化手段為載體，將各類信息數據以及信息數據之間的映射關系演變成學生可以更直接認知、消化的呈現方式。在這里，不能以狹義的圖像去概括圖形化，只要是構成信息畫面的視覺元素，囊括了圖像、圖形以及一系列視覺表現手段，都可以劃入圖形化的范圍。[3]目前可運用在大學物理實驗教學的圖形化展示手段有：
（一）二維靜態展示：數據顯示，人類的大腦更傾向接受圖形類的信息，通過平面化的圖形，將信息、數據、知識等以視覺化的方式呈現，優化信息的傳遞，能夠更高效、直觀清晰的傳遞信息。二維靜態展示包含了大容量的信息整合設計，從物理實驗課程中的框架、重點、疑難點出發，通過長時間的資料與信息的收集、整合，結合以照片、圖形、概念圖等平面展示方式，直擊課程的關鍵部分，對展示內容輕、重、緩、急的處理，便于學生掌握課程的節奏和中心內容。二維靜態展示相對三維、動態的展示來說，形式更為穩定，不僅能夠幫助學生理解大規模的復雜信息，亦能讓學生觀察到信息的屬性和意義，讓所呈現對象之間的隱藏關系直觀化、清晰化，實現學生與知識點之間的交互，直接影響著學生的實驗行為。筆者認為，將物理實驗課程信息進行二維靜態展示的視覺轉化過程中，需考慮到以下兩個因素：第一，視覺元素的合理化表現。需對呈現對象的色彩、構圖、畫面構成等做到合理安排。第二，邏輯思維的清晰化表達。需要考慮到實驗信息在視覺轉化過程中的前后關系與邏輯，一切從學生的接受能力出發。（如圖1）所示，選用色彩中的基本色紅、黃、藍、綠，顏色純度高，明度大，可有效吸引學生注意力，采用扁平化圖形模式，去除冗余、厚重和繁雜的裝飾效果，簡單直接的將信息以圖表化呈現，減少了認知障礙，信息傳達清晰明了，邏輯性強。
（二）三維解構：三維解構和二維靜態展示的概念區別在于：二維靜態展示用長度和寬度來形成視覺傳達，三維解構在前者的基礎上延伸了高度，形成了立體的空間展示。在教學過程中，可運用3dMax，Maya等三維圖像制作軟件，通過三維圖形在計算機中的仿真再現，解構實驗物體的內部情況，剖析實驗物品內部結構，（如圖2）所示，通過3dMax進行建模，忠實還原了細小的機體細節，便于學生透徹了解內部組織架構和實驗原理。二維靜態展示的數據為單一視角信息，呈現的信息相對簡單，而三維呈現除長度與寬度兩個維度之外，增加了高度，如機械內部的軸心、元件的背面等信息都得以呈現，呈現效果逼真、直接、富有立體空間感。
（三）動態實驗模擬：借助于多媒體技術，以動畫、圖像視頻等動態模式，全方位模擬。（如圖3）所示，視頻多角度模擬了實驗操作過程，以生動的、現代化的數字手段集中展示，提升課堂教學的生動性、形象性，激發學生學習興趣。依托此種呈現方式，可收獲以下兩點功能：1.分解實驗步驟：將完整的實驗過程合理地分成若干環節或部分圖像片段，然后按環節或部分分別進行講解，亦可將親自演示與圖像片段相結合。學生在實驗前后可反復觀看，了解整體流程，做到完全了然于心。2.實驗效果預呈現：抽象的語言描述很難在學生腦海中形成具象的實驗結果預測，通過圖形化動態呈現，可以將實驗中可能出現的結果一一呈現，學生在做實驗之前，可對實驗即將呈現的效果做到“心中有底”，在進行實驗時，方能做到有條不紊。
（四）交互式虛擬實驗互動：虛擬實驗平臺建設是少投入多產出，實現資源共享的一種全新辦學理念。[4]通過滲透基于圖形圖像的虛擬現實技術，搭建虛擬場景與虛擬漫游，構建實驗設備、測試儀器等實驗資源的虛擬現實模型，學生可參與到虛擬實驗互動，借助多媒體技術打造線上操作系統，學生可達到課前提前演練，課后反復練習的效果。交互式虛擬實驗互動與傳統實驗室相比，實驗成本低且可反復使用，對實驗對象的依賴和損害被降低，兼具了開放性與共享性的優點。教師更可以通過網絡平臺實時監測學生的實驗效果，合理優化教學內容（如圖4）。具體過程如下：1.實景搭建：建立在局域性的校園網基礎之上，依托Lumion、Unity或Unreal4等3D可視化工具合成虛擬實驗室場景，只需在終端設備連接校園網即可開始學習，整體場景構建與真實的實驗室完全一致，真實感強烈，容易贏得學生的認同感與歸屬感。2.交互構建：交互方案的構建主要通過Flash與JavaScript或ActionScript實現,由單個或多個具體的仿真實驗組成。依靠Flash強大的開發平臺，運用腳本語言，完成場景與操作行為的交互動畫。結合以圖片、文字、聲效，增加虛擬實驗室的沉浸感和逼真感，學生動態控制實驗行為，系統根據行為做出反應，實現交互。
三、圖形化展示在大學物理實驗教學中的優勢
圖形圖像是信息傳遞的主要途徑。研究表明，圖形和色彩比文字更能刺激人腦的思維，更能豐富人的情感，加強理解記憶，從而直接影響人們的認知行為。[5]相比語言與文字，其接受程度更高，接受速度更快,卻鮮少出現于物理實驗課程中。圖形化展示可以更清晰地呈現物理實驗的設計步驟與思路，其易讀性和易記性可以為物理實驗教學打下堅實基礎。
（一）更有效的信息載體：圖形化展示方式可作為物理情境的一種有效的信息載體，有利于更加清晰地呈現設計步驟與思路，將信息進行歸納、分類、概括并將其轉化為圖形,來提升實驗內容的易讀性和易記性，能在有效地吸引學生注意力的同時，迅速讓學生掌握實驗的重點，降低思維難度。合理的圖形化展示可減少學生的認知成本，提高知識傳播的效率。
（二）更方便的學習方式：圖形化的展示方式擺脫了傳統實驗課程中完全依賴教師的授課形態，學生可將圖形資料拷貝后，反復觀看，直到對實驗信息、過程等課程內容完全理解為止。
（三）更有效的思維拓展工具：圖形化展示有利于拓展學生數形結合的思維模式，有利于推動教師改進教學方式，提升學生的科學思維能力，開拓學生探索能力，拔高學生創新創造意識。
（四）更便利的教學手段：物理實驗課程的操作理論性強，相對枯燥，運用圖形化展示結合課堂教學，可提升學生的學習興趣，提高學生注意力。此外，視頻、圖片等教學素材可供學生反復觀看，增強學生的自主學習能力，教師亦擺脫了重復操作的體能負累，一定程度上減輕了教師的教學壓力。
四、目前存在的問題
（一）數據與美學的碰撞，專業跨界有挑戰：物理專業人才在審美水平、視覺表現手段上仍然有待提高，因此，物理實驗課程的圖形化展示需要設計類人才的加入，但設計類人才亦缺乏對于物理理論及數據的深層次理解，雙方專業領域不同，勢必造成數據原理與美學原理的跨界碰撞，但這就需要雙方加強溝通，在進行圖形化處理時，更需綜合考量學生認知，緊密圍繞美學、溝通的原則，使實驗信息的構建與傳達能夠順利被理解和消化。
（二）實驗課程數據繁雜，信息整合有難度：在這里整合的理解是將一些零散的東西通過某種方式彼此銜接，從而實現系統的資源共享和協同工作。其主要精髓在于將零散要素結合在一起，并最終形成有價值有效率的一個整體。[6]大學物理實驗課程數據多、體量大，如何對繁雜的實驗數據進行梳理、解析和處理成為目前圖形化展示亟需解決的問題，教師個人力量有限，高效率教研隊伍的組建勢在必行。
五、結語
圖形化展示為高校實驗教學體系的完善畫上了濃重的一筆，將枯燥的公式定量和結果進行可視化處理，加深學生對實驗理論的理解，有效提高了實驗教學的質量，提升學生的學習興趣，為學生提供了分析實際問題的研究手段及方法，更促進了學生創新實踐能力的培養。通過不斷的摸索與實踐，我們還在探求更加多元的圖形化展示方式，力求在內容呈現與實際應用層面更上一臺階。
參考文獻
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